1、工作原理工作原理基本结构基本结构电磁关系电磁关系建立物理模型建立物理模型 基本方程基本方程建立数学模型建立数学模型运行特性运行特性应用知识应用知识电机学研究各种电机的一般顺序：电机学研究各种电机的一般顺序：12第第 3 章章 异步牵引电动机异步牵引电动机3.1 异步牵引电动机的异步牵引电动机的基本结构基本结构1.定子定子定子主要包括定子铁心、定子绕组以及机座和端盖。定子主要包括定子铁心、定子绕组以及机座和端盖。笼型感应电机笼型感应电机3定子铁心定子铁心4定子绕组定子绕组562.转子转子由转子铁心、转子绕组和转轴等部件组成。由转子铁心、转子绕组和转轴等部件组成。笼型感应电机笼型感应电机7笼型转子
2、笼型转子8转子铁心转子铁心9转子绕组转子绕组笼型转子笼型转子1011绕线型转子绕线型转子12133.气隙气隙1415异步牵引电动机的结构特点：异步牵引电动机的结构特点：1.气隙较大。气隙较大。2.定子绕组绝缘结构采用耐电晕聚酰亚胺薄膜加定子绕组绝缘结构采用耐电晕聚酰亚胺薄膜加 云母带。绝缘等级为云母带。绝缘等级为200级。级。3.采用绝缘轴承。采用绝缘轴承。4.转子导条采用专用铜合金。转子导条采用专用铜合金。5.结构部件轻量化。结构部件轻量化。3.1.2 感应电机的运行状态感应电机的运行状态ssnnns 称为转差率称为转差率转差率是表征感应电机运行状态的基本变量。转差率是表征感应电机运行状态的
3、基本变量。三种运行状态：三种运行状态：nnns 称为转差。称为转差。163.1.3 额定值额定值(感应电动机感应电动机)还包括额定功率因数、额定效率等。还包括额定功率因数、额定效率等。对于三相感应电动机对于三相感应电动机NNNNNIUP cos3 17 额定值是电机制造厂在设计电机时对电机的一些电量和额定值是电机制造厂在设计电机时对电机的一些电量和机械量所规定的数据。电机运行时若各量均符合额定值，称机械量所规定的数据。电机运行时若各量均符合额定值，称电机运行于额定工况。电机运行于额定工况。(1)额定功率额定功率PN(2)额定电压额定电压UN(3)额定电流额定电流IN(4)额定频率额定频率fN(
4、5)额定转速额定转速nN 感应电机运行在电动机状态时，转子以转速感应电机运行在电动机状态时，转子以转速0nns旋转，旋转，而定子磁场的转速为同步转速而定子磁场的转速为同步转速ns。此时，定子磁场相对于转子的转速为此时，定子磁场相对于转子的转速为sssnnnn 转子电动势和电流的频率为转子电动势和电流的频率为2160sP snfsf 称为转子频率或转差频率称为转子频率或转差频率转子电流建立的转子磁场相对于转子的转速为转子电流建立的转子磁场相对于转子的转速为2126060sfsfnsnnPP 转子磁场相对于定子的转速为转子磁场相对于定子的转速为ssnnnnnnnn)(2183.2 感应电动机内部的
5、电磁关系感应电动机内部的电磁关系 由于定子电流建立的定子磁场和转子电流建立的由于定子电流建立的定子磁场和转子电流建立的转子磁场相对于定子的转速均为同步转速，定子、转转子磁场相对于定子的转速均为同步转速，定子、转子磁场始终保持相对静止。子磁场始终保持相对静止。定、转子磁场保持相对静止是产生恒定电磁转矩的定、转子磁场保持相对静止是产生恒定电磁转矩的必要条件。必要条件。19mwkNfE 1111444.mwskNfE 2222444.ssssILfjXI jEILfjXI jE22222211111122 22211122LfXLfXs 和和 为定、转子的漏电感；为定、转子的漏电感；和和 为定、转子
6、漏电抗。为定、转子漏电抗。1L 2L 1XsX 2旋转时的定子、转子电路为旋转时的定子、转子电路为定子方的定子方的频率为频率为f1转子方的频率转子方的频率为为f2=s f1由此可列出定子、转子一相的电压方程由此可列出定子、转子一相的电压方程)(sssjXRIE 2222)(11111jXRIEU3.3 三相感应电动机的等效电路三相感应电动机的等效电路 为了便于对感应电机进行分析计算，需要推出感应为了便于对感应电机进行分析计算，需要推出感应电机的等效电路。电机的等效电路。1 频率归算频率归算频率归算的目的是要解决定子、转子频率不同的问题。频率归算的目的是要解决定子、转子频率不同的问题。频率归算的
7、物理意义是：在转子方对定子方影响不变的原则频率归算的物理意义是：在转子方对定子方影响不变的原则下，用静止的、转子电阻为下，用静止的、转子电阻为R2/s的等效转子代替旋转的、电的等效转子代替旋转的、电阻为阻为R2的实际转子。的实际转子。21(f1)(f2=sf1)频率归算后频率归算后的电路图的电路图频率归算前频率归算前的电路图的电路图22(f1)(f1)(f1)(f2=sf1)将频率归算之后的转子将频率归算之后的转子电阻电阻写成写成2221RssRsR 综上所述，进行频率归算有两方面的意义，一是使定、转子综上所述，进行频率归算有两方面的意义，一是使定、转子电路的频率相等；二是推出了代表机械功率的
8、等效电阻。电路的频率相等；二是推出了代表机械功率的等效电阻。232 绕组归算绕组归算 绕组归算是要解决定、转子绕组匝数、相数和绕组归算是要解决定、转子绕组匝数、相数和绕组因数不同的问题。绕组因数不同的问题。绕组归算的物理意义是：在转子对定子影响不绕组归算的物理意义是：在转子对定子影响不变的原则下，用匝数、相数和绕组因数与定子绕组变的原则下，用匝数、相数和绕组因数与定子绕组的匝数、相数和绕组因数相同的等效转子绕组代替的匝数、相数和绕组因数相同的等效转子绕组代替实际转子绕组。实际转子绕组。24(f1)(f1)25(f1)(f1)(f1)(f1)(f1)(f2=sf1)将前面的分析归纳起来，得到感应
9、电机的基本方程将前面的分析归纳起来，得到感应电机的基本方程 21121222211111EEZIEIIIXjsRIEjXRIEUmmm)()/()(等效电路等效电路26(f1)(f1)2728RESISTANCES 20 C 150 CR1=0.0696 Ohm R1=0.1051 Ohm 20 C 150 CR2=0.0661 Ohm R2=0.0919 OhmLEAKAGE INDUCTANCESL1=1.7938 mH L2=1.1959 mH293.4 感应电动机的功率方程和转矩方程感应电动机的功率方程和转矩方程 下面按照功率的传递过程，利用等效电路对各种功率下面按照功率的传递过程，利
10、用等效电路对各种功率和损耗进行分析，并建立功率和转矩方程。和损耗进行分析，并建立功率和转矩方程。1 功率方程功率方程 感应电动机从电源感应电动机从电源输入的电功率为输入的电功率为11111 cosIUmP 定子绕组电阻产生的定子铜耗和铁心中产生的铁耗分别为定子绕组电阻产生的定子铜耗和铁心中产生的铁耗分别为121 11cupm I R 21Femmpm IR 感应电动机正常运行时，旋转磁场相对于转子的转速感应电动机正常运行时，旋转磁场相对于转子的转速很低，因此转子铁耗很小。很低，因此转子铁耗很小。30输入功率中减去定子铜输入功率中减去定子铜耗和铁耗后，其余部分耗和铁耗后，其余部分通过旋转磁场传递
11、到转通过旋转磁场传递到转子上，这部分利用电磁子上，这部分利用电磁感应作用传递到转子方感应作用传递到转子方的功率称为电磁功率。的功率称为电磁功率。FecueppPP11sRImIEmPe22212221 cos从传递到转子的电磁功率中减去转子铜耗，得到总机械功率从传递到转子的电磁功率中减去转子铜耗，得到总机械功率22212RImpcu222121RssImpPPcue ecusPp2ePsP)(1 从总机械功率中扣除机械损耗和杂散损耗从总机械功率中扣除机械损耗和杂散损耗，得到感应电动，得到感应电动机输出的机械功率。机输出的机械功率。ppPP2312 转矩方程转矩方程02TTTe PTe ppT0
12、 22PT 3 电磁转矩电磁转矩ss )(1seseePsPsPT )()(11 可以通过将总机械功率除以机械角速度，也可以通过将总机械功率除以机械角速度，也可以通过将电磁功率除以同步角速度来计算电磁可以通过将电磁功率除以同步角速度来计算电磁转矩。转矩。22 cosICTmTe TC 称为转矩常数称为转矩常数电磁转矩与主磁通量和转子电流的有功分量成正比。电磁转矩与主磁通量和转子电流的有功分量成正比。32第第4章章 异步牵引电动机的运行特性异步牵引电动机的运行特性4.1 感应电动机的工作特性感应电动机的工作特性 感应电动机的工作特性是指：在额定电压和额定频率下，感应电动机的工作特性是指：在额定电
13、压和额定频率下，感应电动机的转速、电磁转矩、定子电流、功率因数、效率感应电动机的转速、电磁转矩、定子电流、功率因数、效率与输出功率的关与输出功率的关 系。系。)(cos211PfITne 、1.转速特性转速特性 当输出功率当输出功率 时，时，；02 Psnn NUU 1Nff 1即，当即，当 ，时，时，2P 增加时，负载转矩增加，转速下降，转子电流增加，增加时，负载转矩增加，转速下降，转子电流增加，电磁转矩增加，以克服负载转矩；电磁转矩增加，以克服负载转矩；NPP 2%5%1 NssNnn%)99%95(当当 时，时，因此，因此，。2.定子电流特性定子电流特性 根据根据 ，当输出功率，当输出功
14、率 时，时，；)(21IIIm 02 PmII 12P 增加时，转子电流增加，定子电流随之增大。增加时，转子电流增加，定子电流随之增大。3.功率因数特性功率因数特性 当输出功率当输出功率 时，时，此时定子功率因数很低，此时定子功率因数很低，约为约为0.2。02 PmII 1 当当 刚开始增加时，刚开始增加时，s 较小，转子功率因数较大，定子较小，转子功率因数较大，定子电流中的有功分量增加，定子功率因数增大。电流中的有功分量增加，定子功率因数增大。2P 当当 增加到一定程度时，随着增加到一定程度时，随着 s 增大，转子功率因数减增大，转子功率因数减小，导致定子功率因数又开始下降，小，导致定子功率
15、因数又开始下降，通常在达到额定负载之通常在达到额定负载之前，定子功率因数出现最大值。前，定子功率因数出现最大值。2P4.电磁转矩特性电磁转矩特性602202020nPTPTTTTe 当输出功率当输出功率 时，时，。02 P0TTe 当当 增加时，转速略有下降，因此特性为略微上翘的曲线。增加时，转速略有下降，因此特性为略微上翘的曲线。2P5.效率特性效率特性 pPPPP2212 4.2 三相感应电动机的机械特性三相感应电动机的机械特性将激磁支路开路将激磁支路开路 机械特性指的是：在电源电压、电源频率和电机机械特性指的是：在电源电压、电源频率和电机参数不变的情况下，电动机的转速与电磁转矩之间的参数
16、不变的情况下，电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即关系，即)(eTfn 35考虑到考虑到Im很小，很小，T形等效电路形等效电路sRImPTssee222112222112()UIRRXXs pfnss12602 )(212121221122XXsRRfsRpUmTe 362.固有机械特性固有机械特性 指电动机在规定接线方式下，外加额定频率的额指电动机在规定接线方式下，外加额定频率的额定电压，定子、转子回路不串接任何电路元件时，电定电压，定子、转子回路不串接任何电路元件时，电动机转速动机转速(或转差率或转差率)与电磁转矩之间的关系，即与电磁转矩之间的关系，即n=f(Te)或或 s=f(Te)。)
17、(212121221122XXsRRfsRpUmTe 3738(1)固有机械特性分析固有机械特性分析1)电动机状态电动机状态2)发电机状态发电机状态3)电磁制动状态电磁制动状态3.固有机械特性上的特殊点固有机械特性上的特殊点1)同步转速点同步转速点A(理想空载点理想空载点)2)额定运行点额定运行点B3)最大转矩点最大转矩点C0 dsdTe由由212221212XXRXXRsRm )(得得 )(212121221122XXsRRfsRpUmTe Sm称为临界转差率。称为临界转差率。39）（2112112212112111422XXfpmXXRfpmTURU )(max212mRsXX (1)当电
18、源频率和电机参数不变时，感应电机的最大电磁转矩当电源频率和电机参数不变时，感应电机的最大电磁转矩 与电源电压的平方成正比，而临界转差率与电压无关；与电源电压的平方成正比，而临界转差率与电压无关；(2)当电源电压和频率一定时，最大转矩近似地与定、转子漏抗当电源电压和频率一定时，最大转矩近似地与定、转子漏抗 之和成反比；之和成反比；(3)最大转矩的大小与转子电阻无关，临界转差率与转子回路最大转矩的大小与转子电阻无关，临界转差率与转子回路 电阻成正比；电阻成正比；(4)当电压和参数一定时，最大电磁转矩随频率增加而减小。当电压和参数一定时，最大电磁转矩随频率增加而减小。1 62 5max/(.)NmT
19、T 称为过载能力称为过载能力404)起动点起动点D )(212212221112XXRRRUfpmTst 当电源频率和电机参数不变时，当电源频率和电机参数不变时，起动转矩与电压平方成正比。起动转矩与电压平方成正比。5.发电机状态发电机状态再生制动。再生制动。机组转速高于同步转速。机组转速高于同步转速。6.机械特性的变化机械特性的变化（1）降低电源电压降低电源电压212mRsXX ）（2112114XXfpmTU max )(212212221112XXRRRUfpmTst 43降低电源电压时，临降低电源电压时，临界转差率不变，最大界转差率不变，最大转矩和起动转矩随电转矩和起动转矩随电压平方减小
20、。压平方减小。(2)转子回路串入对称电阻转子回路串入对称电阻212XXRsm ）（2112114XXfpmTU max44转子电阻增大时，最大转子电阻增大时，最大转矩不变，临界转差率转矩不变，临界转差率增大，起动转矩先增大，增大，起动转矩先增大，临界转差率大于临界转差率大于1时，转时，转子电阻再增大，起动转子电阻再增大，起动转矩减小。矩减小。)(212212221112XXRRRUfpmTst 1.升压升频升压升频起动阶段起动阶段电机运行时，希望每极磁通保持不变。电机运行时，希望每极磁通保持不变。mwkNfEU 11111444.)(11111jXRIEU CfE 11CfU 1116011s
21、fnnssp()()4.2 异步牵引电动机的异步牵引电动机的变频调速变频调速恒压频比恒压频比CfU 11 )(212121221122XXsRRfsRpUmTe)(max221211211122XXRfpmTRU 12121fXXRsm 221211121114)(XXRfUpmRf cnsnsmm 2.恒压升频恒压升频mwkNfEU 11111444.恒压升频时，磁通减小。恒压升频时，磁通减小。)(max221211211122XXRfpmTRU 211f 4.3 异步牵引电动机异步牵引电动机牵引特性分析牵引特性分析48起动区起动区恒功区恒功区I II IIII II IIII：升压升频起动阶段：升压升频起动阶段 （恒磁通恒转矩）（恒磁通恒转矩）II：升压升频恒功阶段：升压升频恒功阶段 （恒磁通恒功）（恒磁通恒功）III：恒压升频恒功阶段：恒压升频恒功阶段 （磁通减小）（磁通减小）50I II IIII II IIII II III53I II IIII II III55565758596061转子旋转时：电磁功率转子旋转时：电磁功率=转子铜耗转子铜耗+转子产生的机械功率转子产生的机械功率转子静止时：电磁功率转子静止时：电磁功率=转子铜耗转子铜耗+附加电阻上消耗的功率附加电阻上消耗的功率62
